NO126974B - - Google Patents

Description

Puls-sonarsystem.

Denne oppfinnelse angår Doppler-navigasjon og er mer spesielt rettet mot et nytt sonar-navigasjonssystem for bestemmelse av hastigheten av et sjøgående fartøy i forhold til bunnen eller vannmengden.

Det er for tiden flere forskjellige Doppier-navigasjonssystemer i bruk i militære og sivile fly og sjøgående fartøyer. Disse systemer omfatter forskjellige radar- og sonar-innretninger som tar i bruk det velkjente Doppler-fenomen og hvor Doppler-frekvensforskyvningen av de mottatte signaler i forhold til frekvensen av utsendte signaler som reflekteres fra terrenget eller formasjoner under flyet eller fartøyet blir detektert..Blant disse Doppier-navigasjonssystemer finnes det sonar-systerner som omfatter sender- og mottagerutstyr innrettet til å detektere Doppler-frekvensforskyvningen av lydbølger som reflekteres fra sjø-bunnen» Den prinsipielle virkemåte av radar- og sonar-systemene er stort sett den samme, idet den konstruksjonsforskjell som er å finne i de anvendte apparater og komponenter i første rekke er nødvendige på grunn av forskjellen it frekvens, forplantningshastig-het, fartøyets hastighet og teknikken for detektering av det som utsendeso

Generelt sett anvender de tidligere kjente Doppler sonar-systemer en Doppler sonar innretning som arbeider med kontinuerlige bølger og som tar imot all informasjon som er resultatet av de utsendte signaler. Da informasjonen flyter kontinuerlig er det ikke mulig å foreta tidsdiskriminering i et forsøk på å ad-skille Doppler-frekvenser mellom faste og bevegelige objekter. Dessuten er krysstale eller interferense mellom sender og mottager et problem i systemer basert på kontinuerlige bølger, likesom de uheldige signaleffekter som skyldes "volumetterklang". Med volumetterklang menes at sjøvann i motsetning til ferskvann inneholder millioner av mikro-organismer som er mer eller mindre jevnt fordelt i vannet i de tempererte og tropiske soner på jorden. Disse mikro-organismer og gassbobler som disse frembringer er årsak til en tilbakespredningseffekt (back-scattering phenomenon) som blant fag-folk på sonar-området er kjent.som volumetterklang.

Blant de tidligere kjente anordninger som anvender utsendelse av kontinuerlige bølger og som er beheftet med de ovenfor nevnte vanskeligheter og problemer kan nevnes de som er beskrevet blant annet i US patentene nr. 2.912.671; 2.961.190; 3.065«463; og 3.231.852. Alle disse systemer anvender en sende-teknikk med kontinuerlig bølge for nøyaktig navigering på basis av volumetterklangsignaler i et forstyrret vannmiljø,

I en generell form har puls-Doppler-prinsipper vært anvendt i radar-anordninger for å detektere og overvåke relativ bevegelse. Disse anordninger har imidlertid anvendt et puls-system for helt andre formål enn de som inngår i forbindelse med foreliggende oppfinnelse. Por eksempel har det i radar-systemer vært anvendt puls-teknikk for å øke forholdet mellom spisseffekt og gjennomsnittseffekt over en for å oppnå større avstandsområde, for å redusere effektforbruket og for å muliggjøre anvendelse av en enkelt antenne for sending såvel som for mottagning ved tids-deling av antennen. I og med at det medium som energien forplantes gjennom i tilfelle av sonar-systemer er vann, er de ovenfor angitte grunner ikke relevante i forbindelse med sonar-navigasjonsformål.

I den utstrekning Doppler puls-teknikk har vært anvendt i forbindelse med sonar-systemer har det generelt sett vært brukt et regelmessig eller jevnt pulstog. Ved anvendelse av et regelmessig pulstog inneholder imidlertid pulsutsendelsen og følgelig også det pulsede retursignal sidebånd-frekvenser i tillegg til den utsendte frekvens. Disse sidebånd-frekvenser er generelt konstante og har tilstrekkelig effektnivå til å avstedkomme navigasjonsfeil som føl-ge av at følgeanordningen feilaktig låses til en sidebånd-frekvens.

Disse navigasjonsfeil kan elimineres hvis effektnivået av sidehindene blir redusert og sidebånd-frekvensene blir bragt til å variere istedenfor å tillates å være konstante. Dette kan oppnås ved å utsende et pulstog med varierende bredde og avstand og det er denne teknikk som blir utnyttet ifølge foreliggende oppfinnelse.

Kort angitt tilveiebringer denne oppfinnelse et pulssonar-system som ikke er beheftet med de problemer og vanskeligheter som opptrer i tidligere kjente systemer.

Nærmere bestemt angår således denne oppfinnelse et sonar-system for anvendelse i et sjøgående fartøy for hastighetsbestemmelse og omfattende en oscillator innrettet til å generere en bærefrekvens, en anordning for å generere og utsende i vannet et tog av akustiske signaler i pulsform, en anordning for avføling av refleksjoner av de akustiske signaler og generering av et tog av elektriske signaler med pulsform, en føilgeanordning som er påvirkbar av de elektriske pulssignaler for å generere et kontinuerlig elektrisk signal med samme frekvens som de elektriske pulssignaler,en demodulator som er påvirkbar av bærefrekvensen og det kontinuerlige elektriske signal for å generere et Doppler-forskyvningsdifferanse-frekvenssignal og en anordning som er påvirkbar av Doppler-forskyvnings-differansefrekvenssignalet for å bestemme hastigheten. Det nye og særegne ved sonarsystemet ifølge oppfinnelsen består i første rekke i at de akustiske signaler i pulsform har uregelmessig pulsbredde og uregelmessig tidsintervall mellom pulsene og slik at hvert utsendt akustisk signal omfatter et flertall perioder av bærefrekvensen.

Andre trekk og fordeler som følge av denne oppfinnelse vil bli forklart nærmere i den følgende detaljerte beskrivelse i forbindelse med tegningene på hvilke like henvisningssymboler angir like eller tilsvarende deler på de forskjellige figurer av hvilke: Figur 1 er en skjematisk illustrasjon av et eksempel på en utforming av en gruppe akkustiske transdusere som er montert på skroget av et sjøgående fartøy; Figur 2 er et generelt blokkskjema som illustrerer et puls-sonar-system ifølge foreliggende oppfinnelse; Figur 3 er et blokkskjema som illustrerer et eksempel på en forstrekningsreguleringskrets som kan anvendes i systemet på figur 2; Figur 4 er et blokkskjema som illustrerer et eksempel på en ikke regelmessig pulsgenerator som kan inngå i systemet på figur 2; og Figur 5 er et diagram som illustrerer bølgeformer til forklaring av virkemåten av den ikke regelmessige pulsgenerator på figur 4o

Et sjøgående fartøy 10 som vist på figur 1 kan anvendes for å bære et puls-sonar-navigasjonssystea i henhold til denne oppfinnelse. For tydlighets skyld er den langskipsakse for fartøyet 10 betegnet som y-aksen og tverrskipsaksen er betegnet som x-aksen,» Et flertall akkustiske transdusere 12, 14, 16 og 18 kan monteres på skroget til fartøyet 10 langs x-aksen og y-aksen i et innbyrdes forhold og med innbyrdes avstander som ikke er av kritisk betydning. De akkustiske transdusere 12, 14, 16 og 18 er fortrinnsvis sterkt direktive transdusere som kan brukes både for utsendelse av akkustiske signaler og for oppfanging av akkustiske signaler og kan ha hvilken som helst utførelse som er kjent i teknikken. Om det ønskes kan transduserne være arrangert i en gruppe som strekker seg utad fra siden av fartøyet 10 istedenfor å være anordnet i bunnen av dette slik som vist på figur 1. For oppfinnelsens formål er det tilstrekkelig å bemerke at transduserne når de arbeider under sending frembringer smale stråler av ultrasonisk energi som blir tilbakespredt eller reflektert fra sjø-bunnen. I en praktisk utførelse ble strålene utsendt med en vinkel på omkring 30° i forhold til en vertikal linje gjennom fartøyet 10 og med en bredde på omkring 3°. Det skal bemerkes at det kan anvendes separate transdusere for henholdsvis sending og mottagning»

Det er i forbindelse med oppfinnelsen av interesse å bemerke at sjøbunnen eller bunnen av hvilken som helst vannmasse vanligvis ikke er nøyaktig plan og derfor vil reflektere innfall-ende ultrasonisk energi i alle retninger sli-k at i det minste noe av energien som utsendes av de respektive transdusere 12, 14, 16 og 18 blir reflektert i retning mot transduserne. Det vil videre være klart at anvendelse av to transdusere langs hver akse, f.eks. transduserne 12 og 16 langs y-aksen, tjener til å kompensere for frekvensendringer som skyldes rulling, stamping eller giring av fartøyet 10.

Som vist på figur 2 er det anordnet en sender 20 som avgir radiofrekvensenergi til de akkustiske transdusere 12, 14, 16 og 18 gjennom respektive dupleksere 22, 24, 26 og 28. Det kan anvendes en hovedosillator 30 for å levere radiofrekvensenergien til senderen 20. I en praktisk utførelse ble 300 kHz funnet å være en egnet frekvens. Blokkeringssignaler for på passende måte å inn-koble henholdsvis utkoble senderen for å frembringe en ønsket rekke av pulser som skal sendes ut ved hjelp av transduserne 12,

14, 16 og 18, blir levert fra en ikke regelmessig pulsgenerator 32.

Som allerede nevnt kan navigasjonsfeil elimineres eller forøvrig reduseres hvis effektnivået og permanensen av mottatte sidelobe-frekvenser reduseres. Disse sidelobe-frekvenser blir frembragt som følge av den konstante pulsrepetisjons-frekvens av regelmessige pulstog som anvendes i henhold til tidligere kjente puls-sonar-systemer9 Det er funnet at hvis det anvendes et ikke regelmessig pulstog ved utsendelsen av de ultrasoniske signaler, blir de samme sidelobe-frekvenser ikke permanent mottatt. Videre har de sidelobe-frekvenser som blir mottatt et effektnivå som er betydelig lavere enn effektnivået av den senter-frekvens som skal følges. Resultatet er at de følgekretser som anvendes i sonar-systemer lettere vil fiksere eller låse seg på senter-frekvensen og ignorerer sidelobe-frekvensene, hvilket resulterer i at navigasjonsfeil blir eliminert og/eller redusert.

De utsendte pulssignaler blir rettet mot sjøbunnen og blir så reflektert eller spredt i retning av de akkustiske transdusere 12, 14, 16 og 18 som - når de arbeider under mottagning - tjener til å omdanne akkustlsk energi til elektrisk energi. Det vil forståes at hver av transduserne 12, 14, 16 og 18 generelt sett vil oppfange eller motta bare den reflekterte energi som opprinnelig ble utsendt av vedkommende transduser0 Por eksempel vil transduseren 12 bare oppfange reflektert energi som opprinnelig ble utsendt av transduseren 12.

Den elektriske energi som tilveiebringes av hver av transduserne blir gjennom de respektive dupleksere 22, 24, 26 og 28 påtrykket en mottagerkrets0 Por illustrasjonens skyld er bare de mottagerkretser som er forbundet med duplekseren 28 vist på figur 2, skjønt det vil være klart at et sonar-system i henhold til denne oppfinnelse omfatter en mottagerkrets for hver av de anvendte trans-dusereo

Mottatte signaler blir gjennom en for-forsterker 34, en portkrets 36 og en forsterker 38 påtrykket en forsterknings-reguleringskrets 40, en følgekrets 42 og en automatisk samlekrets 44» Porsterkningsreguleringskretsen 40 som skal beskrives nedenfor under henvisning til figur 3» leverer et utgangssignal som påtrykkes som tilbakekoblingssignal på for-forsterkerkretsen 34 gjennom en ledning 340.

Beskyttelse av mottagerkretsen blir oppnådd ved å redusere forsterkningen av retursignalene. Dette blir utført ved å påtrykke det ikke regelmessige pulstog som leveres av pulsgeneratoren 32, på portkretsen 36 og på en portkrets i forsterkningsreguleringskretsen 40. Portkretsene tjener til å blokkere passasje av signaler under den periode hvorunder pulser påtrykkes disse.

Pølgekretsen 42 tjener stort sett til å avstedkomme

et kontinuerlig signal med en frekvens som er lik frekvensen av de mottatte pulssignaler. Pølgekretsen 42 blir vanligvis av fag-folk betegnet som en fase-låse-sløyfe som låser seg på seg selv med hensyn til både frekvens og fase. En fase-låse-sløyfe vil generelt omfatte en spenningsstyrt osillator og en styrekrets som er en kombinasjon av en forsterker og en integrator. Hvilken som helst av de kjente fase-låse-sløyfe-kretser kan anvendeB i følge-kretsen 42 for å oppnå det ønskede formål. I følgekretsen 42 blir det foretatt en sammenligning mellom utgangen av den spenningsstyrte osillator og det innkomne pulssignal, og det blir frembragt et differansesignal som representerer en differanse ikke bare i frekvens men også i fase. Dette sistnevnte signal blir så behandlet

av styrekretsen som styrer den spenningsstyrte osillator til den fase og frekvens som er nødvendig for å oppnå nøyaktig synkronisme med den innkomne signalfrekvens fra forsterkeren 38. Det skal her minnes om at referansefrekvensen av den spenningsstyrte osillator er en kontinuerlig frekvens og frekvensen av det innkomne signal fra forsterkeren 38 foreligger som pulsinformasjon. Som følge av dette er følgekretsen 42 ment å være i funksjon bare under den periode da signalet fra forsterkeren 38 blir mottatt. For dette formål blir differansen mellom de signaler som genereres av følge-kretsen påtrykket samlekretsen 44 gjennom en ledning 46 mens mottatte signaler blir påtrykket gjennom for-forsterkeren 34, portkretsen 36 og forsterkeren 38 til den automatiske samlekrets 44 gjennom en ledning 48. Utgangen av den automatiske samlekrets blir ført tilbake til følgekretsen 42 gjennom en ledning 50. Den automatiske samlekrets 44 tjener til å synkronisere signalene fra den spenningsstyrte osillator med frekvensen av de mottatte signaler.

Generelt sett omfatter den automatiske samlekrets 44

en diskriminator som utgjør en del av fase-låse-sløyfen i følge-kretsen 42 og en kortslutningsbryter koblet mellom integratoren i styrekretsen og diskriminatoren slik at når bryteren er kortsluttet eller lukket vil styrekretsen holde og styre den spenningsstyrte osillator på en slik måte at denne ikke vil endre frekvens men vil fortsette å levere den frekvens som svarer til den sist mottatte informasjon.

Samlekretsen kan anvende logisk informasjon fra en fasedetektor og en koherentdetektor for å styre bryteren for kort-slutning av det signal som opptrer over ledningen 50. Dette resulterer i at integratorens utgang bevirker en endring i frekvensen av den spenningsstyrte osillator i retning mot frekvensen av de mottatte signaler slik at frekvenskoinsidens og følgelig frekvens-låsing kan finne sted. Et eksempel på en automatisk samlekrets er beskrevet i detalj i US patentsøknad serial nr, 737.123 av 14. juni 1968.

Utgangen av følgekretsen 42 blir også påtrykket en demodulatorenhet 52 som er koblet til hovedosillatoren 30. Demodulatorenheten 31 tjener til å sammenligne den opprinnelig utsendte frekvens som leveres av osillatoren 30 med frekvensen av det kontinuerlige signal som leveres av den spenningsstyrte osillator i følgekretsen 42„ Resultatet av denne sammenligning er en frekvens-differanse som utgjør den Doppler-frekvens som er forårsaket av den relative bevegelse mellom transduserne montert på skroget til det sjøgående fartøy 10 og sjøbunnen.

Demodulatorenheten 52 er innrettet til å levere to ut-gangs signaler , et over hver av to kanaler, hvilke signaler er henholdsvis et positivt Doppler-signal og et negativt Doppler-signal. Disse utgangssignaler blir generert på en slik måte at de ikke opptrer samtidig men derimot i rekkefølge etter hverandre. Under drift blir det signal som genereres av hovedosillatoren 30 påtrykket hver av de to kanaler i demodulatorenheten 52. Osillatorfrekvenssignalet blir faseforskjøvet 90° før det påtrykkes den ene kanal og påtrykkes direkte i den annen kanal slik at både 0° og 90° fase blir anvendt for demoduleringsformål. Frekvensen av det kontinuerlige signal som leveres av følgekretsen 42 blir sammenlignet med denne osillator-frekvens i hver av de separate demodulatorkanaler. Hvis Doppler-frekvensen er positiv, hvilket indikerer en møtende hastighet (closing rate), vil et utgangssignal først opptre på den positive demodulatorledning 54. Hvis Doppler-frekvensen er negativ, hvilket indikerer en hastighet nedad eller vikende (down or opening rate),

vil et utgangssignal først opptre på den negative demodulatorledning 56.

Utgangene fra demodulatoren 52 blir ført til en om-setter 58. Det- skal bemerkes at i tillegg til den utgang som er vist fra demodulatorenheten 52 er det vist tre ytterligere par de-modulatorutgangsledninger som angitt ved henvisningstallene 60, 62

og 64 som henholdsvis er koblet til strømkretser i likhet med dem som nettopp er omtalt i forbindelse med transduseren 18.

Etter de signaler som påtrykkes omsetteren vil signalene fra de forskjellige kanaler i systemet belegge tidskanaler i rekke-følge og derfor ikke opptre samtidig. Signalene blir så behandlet for derved å bli digitalt addert i en addisjonsenhet 66 som tjener til å summere signalene fra de forskjellige utganger av omsetteren 58 på slik måte at det resulterende signal representerer fire hastigheter som kan fremvises på et flertall passende indikator-innretninger 68, 70, 72 og 74, hvilke hastigheter henholdsvis angir hastigheten fremad, hastigheten bakover, hastighet mot styrbord og hastighet mot babord.

På figur 3 er det vist et eksempel på en forsterknings-reguleringskrets 40. Nærmere forklart blir mottatte signaler påtrykket fra forsterkeren 38 (figur 2) gjennom en bufferkrets 76 på en automatisk forsterkningsregulerings/de.tektorkrets 78. Signalene som leveres av kretsen 78 påtrykkes en strømkrets 80 med tidsvarierende forsterkning. Signaler blir også påtrykket kretsen 80 gjennom en forsterker 82 og en portkrets 84 som er koblet i serie, idet portkretsen 84 er forbundet med den ikke regelmessige pulsgenerator 32 (figur 2). Portkretsen 84 som mottar pulser fra den ikke regelmessige pulsgenerator 32 tjener til å redusere forsterkningen i mottageren under sendeperioden. Kretsen 80 med tidsvarierende forsterkning er - etter den periode hvorunder forsterkningen har vært redusert ved hjelp av portkretsen 80 - innrettet til å bevirke normal forsterkning i henhold til en forutinnstilt tidskonstant.

Porsterkningsreguleringskretsen 80 kan f:.eks. omfatte et RC nettverk for å bestemme forsterkningssenkningen når denne går tilbake til normal forsterkning i overensstemmelse med den tidskonstant som tilveiebringes av RC nettverketo

Den automatiske forsterkningsreguleringssløyfe som dannes av bufferkretsen 76, forsterkningsregulerings/detektorkretsen 78 og kretsen 80 med tidsvarierende forsterkning, en drivkrets 86 for den automatiske forsterkningsregulering og for-forsterkeren 34 tjener til å regulere den totale forsterkning av retursignaler som skal behandles, ved å regulere forsterkningen i for-forsterkeren 34. Når for-forsterkeren 34 blir drevet mer positiv av signaler fra drivkretsen 86 blir forsterkningen av signalet redusert. Når på

den annen side for-forsterkeren 34 blir drevet mer negativ blir signalforsterkningen øket tilsvarende.

Et eksempel på en ikke regelmessig pulsgenerator i krets 32 er vist på figur 4o Det er anordnet en pulsgenerator 88 for å levere et regelmessig pulstog med varighet 20 millisekunder (pulsbredde), hvor hver puls er adskilt fra nabopulsene med et mellomrom på 100 millisekunder slik som vist på figur 5A. Dette pulstog blir påtrykket en OG-port 90 som dennes ene inngang og på en divisjonskrets 92 som kan være en multivibratorkrets av velkjent type. Divisjonskretsen 92 tjener til å gi en positiv puls svarende til hver annen puls som påtrykkes denne fra pulsgeneratoren 88, Pulstoget som leveres av kretsen 92 og som vist på figur 5B, blir påtrykket som den annen inngang på OG-porten 90. Denne OG-port leverer en puls med varighet eller pulsbredde 20 millisekunder når det er koinsidens mellom de signaler som påtrykkes fra pulsgeneratoren 88 og divisjonskretsen 92. Det pulstog som leveres av OG-porten 90 blir - som vist på figur 5C påtrykket en ELLER-port 92.

Det pulstog som leveres av divisjonskretsen 92 blir påtrykket en annen divisjonskrets 96 gjennom en forsinkelseslinje 94. Forsinkelsen har en varighet slik at de pulser som leveres av divisjonskretsen 92 blir forsinket med en tidsperiode som er ekviva-lent med varigheten mellom de fremre flanker av de pulser som leveres av pulsgeneratoren 88. I foreliggende eksempel vil forsinkelsen i linjen 94 være lik 120 ms. Det forsinkede pulstog leveres av divisjonskretsen 96 som vist på figur 5D blir påtrykket en "one-shot"-krets 98 som tjener til å avgi en 60 ms puls når en positiv puls fra divisjonskretsen 96 blir påtrykket denne. Denne 60 ms puls blir påtrykket ELLER-porten 92 som annen inngang. Det pulstog som leveres av "one-shot"-kretsen 98 er vist på figur 5E. Utgangen av ELLER-porten 92 som vist på figur 5F vil være et ikke regelmessig pulstog omfattende i rekkefølge en 20 ms puls etterfulgt av et 100 ms mellomrom, en 60ms puls etterfulgt av et 60 ms mellomrom og en 20 ms puls etterfulgt av et 220 ms mellomrom. Identiske sykluser med disse tre pulser som har de angitte mellomrom vil så følge for å danne det ønskede uregelmessige pulstog som - i henhold til tidligere forklaringer - blir påtrykket senderen 20, portkretsen 36 og forsterkningsreguleringskretsen 40.

Claims (2)

1. Sonarsystem for anvendelse i et sjøgående fartøy for hastighetsbestemmelse og omfattende en oscillator innrettet til å generere en bærefrekvens, en anordning for å generere og utsende i vannet et tog av akustiske signaler i pulsform, en anordning for avføling av refleksjoner av de akustiske signaler og generering av et tog av elektriske pulssignaler svarende til de reflekterte akustiske signaler med pulsform, en følgeanordning som er påvirkbar av de elektriske pulssignaler for å generere et kontinuerlig elektrisk signal med samme frekvens som de elektriske pulssignaler, en demodulator som er påvirkbar av bærefrekvensen og det kontinuerlige elektriske signal for å generere et Doppler-forskyvnings-differansefrekvenssignal og en anordning som er påvirkbar av Doppler-forskyvnings-differansefrekvenssignalet for å bestemme hastigheten, karakterisert ved at de akustiske signaler i pulsform har uregelmessig pulsbredde og uregelmessig tidsintervall mellom pulsene og slik at hvert utsendt akustisk signal omfatter et flertall perioder av bærefrekvensen.

2. System ifølge krav 1, karakterisert ved at den anordning som genererer og utsender de akustiske signaler med pulsform, omfatter en første innretning for å generere et pulstog med regelmessig pulsbredde og -avstand, en annen innretning for å blokere alternerende pulser i pulstoget og en tredje innretning som er funksjonelt koblet til den annen innretning for å erstatte alternerende pulser av de blokerte pulser med en puls som har en pulsbredde forskjellig fra pulsbredden av de regelmessige pulser.